Was taugt der vereinfachte Berechnungsgang?

Im Zuge der europäischen Harmonisierung wird mit der EN 806 auch für den Bereich der Trinkwasserinstallation ein umfassen­des Normenpaket erstellt. Es soll die in Deutsch­land für diesen Bereich bisher gültige DIN 1988 ablösen. Die Ermittlung der Rohrdurchmesser ist Gegenstand der EN 806-3, die in Deutschland im Juli 2006 herausgegeben wurde und somit bereits eine geltende Deutsche Norm ist. Die Auslegung ist demzufolge wie bisher auf eine vereinfachte und eine differenzierte Weise möglich.

Neues Verfahren eingeführt

Für die vereinfachte Berechnung wird in der EN 806-3 ein neues Verfahren eingeführt, das auf einem tabellarischen System beruht. Den Entnahmestellen werden dabei Belastungswerte LU zugeordnet, die dem Zehn­fachen der bisherigen Berechnungsvolumenströme entsprechen. Die Summe der ­Be­lastungswerte einer Teilstrecke ist dann entscheidend für die Nennweite, die aus ­einer Tabelle für verschiedene Werkstoffe abgelesen werden kann. Es werden keine An- oder Vorgaben zum Versorgungsdruck, zur geodätischen Höhe, Apparate- oder Einzelwiderstandsdruckverlusten gemacht. Hier­zulande herrscht derzeit vielfach Verunsicherung über die Folgen der neuen Methode, was zumeist auf Unwissenheit zurückzuführen ist. Im Rahmen einer Diplomarbeit wurde nun die EN 806-3 analysiert und dabei untersucht, inwieweit der neue Berechnungsgang Hygienerisiken schürt und ob eine solche Methode funktional tauglich ist. Es sei vorangestellt, dass die EN 806-3 selbst kein differenziertes Berechnungsverfahren bereitstellt, da man sich darüber im europäischen Normungsausschuss nicht einigen konnte. Stattdessen wird nun auf nationale Normen verwiesen. Für Deutschland ist dafür die DIN 1988-3 angegeben, sodass sich auf diesem Gebiet konkret nichts ändert und alles beim Alten bleibt. Dafür ist eine überarbeitete und abgestimmte Version der DIN 1988-3 in Planung. Hinzu kommt, dass der neue vereinfachte Berechnungsgang kein allgemeines Verfahren darstellt, sondern nur für Gebäude zugelassen ist, die gewisse Vorgaben erfüllen müssen und dann als Normal-Installationen bezeichnet werden. Gebäude, die nicht den Vorgaben entsprechen, heißen Spezial-Installationen. Sie müssen differenziert und dürfen nicht vereinfacht berechnet werden. Die EN 806-3 erklärt nur spärlich, welche bisher bekannten Gebäudetypen dazugehören. Es sollte davon auszugehen sein, dass ­Sonderbauten wie Krankenhäuser, Hotels, (Alten-)Wohnheime, Versammlungsstätten usw. grundsätzlich als Spezial-Installationen gelten und demnach differenziert zu berechnen sind.

Gleichzeitigkeit

Die Gleichzeitigkeit hat beim vereinfachten Berechnungsgang nur Begrenzungs-, keine Berechnungsfunktion. Anders gesagt ist das Verfahren nur für eine begrenzte Gleichzeitigkeit konzipiert, die der von Normal-Installationen entsprechen soll. Sind höhere Spitzen­volumenströme zu erwarten, muss differenziert gerechnet werden. Dass ein geringerer erwarteter Spitzenvolumenstrom auch kleinere Nennweiten ermöglicht, wird nicht aufgegriffen. Somit wird nicht der VDI 6023 entsprochen, die die Ansetzung der kleinsten möglichen Gleichzeitigkeit anstrebt. Bei der Auslegung von Wasserzählern oder anderen Apparaten droht zusätzlich bei tatsächlich kleiner erwarteten als den maximal zulässigen Spitzenvolumenströmen auch eine Überdimensionierung. Damit geht beispielsweise bei Wasserbehandlungsanlagen ein gesteigertes Hygienerisiko einher. Das Kriterium ließe sich auch nur simpel prüfen, wenn bekannt wäre, für welche Nut­zungs­art(en) das in der Norm abgedruckte Diagramm genau gilt (z.B. Wohngebäude), oder wenn zum Vergleichen für andere Nutzungsarten ebenfalls charakteristische Kurven angegeben wären. Jetzt kann nur umständlich mit eigenen Methoden der Spitzenvolumenstrom für die gegebene Nutzungsart berechnet und dann mit dem maximal zulässigen verglichen werden. Leider gibt es dabei nur die Möglichkeit des Ablesens, ein Algorithmus ist nicht angegeben. Aktuell tritt dabei ein bemerkenswertes Problem auf, wenn man zur Ermittlung der zu erwartenden Spitzendurchflüsse das bislang anerkannte Verfahren aus DIN 1988-3 heranzieht. Trägt man die dort angegebenen Kurven für Wohn- und Verwaltungsgebäude und die Kurvenschar der EN 806-3 wie in Bild1 dargestellt gemeinsam in einem Diagramm auf, so wird klar: Die nach DIN 1988-3 zu erwartenden resultierenden Spitzenvolumenströme überschreiten die Maximalwerte nach EN 806-3 über weite Strecken deutlich. Demzufolge wäre in Deutschland der vereinfachte Berechnungsgang nicht oder nur in Ausnahmefällen anwendbar, da nach der heute ­gültigen Ermittlungsweise der Spitzenvolumenströme die Vorgabe der EN 806-3 systematisch überschritten wird. Das gilt so lange, bis die in Fachkreisen bereits diskutierte Anpassung der zu hoch angesetzten Spitzenvolumenströme in DIN 1988-3 erfolgt. Die Vermutung liegt nahe, dass die EN 806-3 bereits auf aktuellen Erkenntnissen zu diesem Thema beruht und somit die Abweichung erklärt werden kann.

Grundlagen für Untersuchungen

Streng genommen dürfen keine Gebäude nach dem neuen Verfahren ausgelegt werden, die über einen freien Auslauf zum Anschluss eines Gartenschlauches verfügen. Zwar sind in der EN 806-3 Werte einer „Entnahmearmatur für Garten/Garage“ angegeben, sodass sie wie gewöhnliche Entnahmestellen in die Auslegung mit einbezogen ­werden könnten. Andererseits jedoch sind diese Auslaufventile allgemein als Dauerverbraucher mit einer Betriebszeit von über 15 Minuten einzustufen, die die neue Norm grundsätzlich von der Normal-Installation ausschließt. Als Basis für die in der Diplomarbeit getätigten Vergleiche und Untersuchungen dient ein fiktives viergeschossiges Standardwohngebäude, das den Vorgaben für Normal-Installationen genügen soll. Jeder der vier Stränge versorgt pro Ebene eine Wohneinheit, sodass sich 16 Wohneinheiten insgesamt ergeben, mit folgender Sanitärausstattung: WC mit Spülkasten, Waschtisch, Badewanne, Wasch- und Spülmaschine ­sowie eine Küchenspüle. Bei der Trinkwasserinstallation wurden mehrere Varianten berücksichtigt. Zunächst wurde unterschieden zwischen zentraler Trinkwassererwärmung und Gruppentrinkwassererwärmung mit Durchlauferhitzern, die an geeigneter Stelle in die Stockwerksinstallation eingefügt wurden. Für die Stockwerksinstallation wurden drei Varianten entworfen:

• klassische T-Stück-Installation mit Stockwerksleitung.

• Einzelzuleitungssystem mit Stockwerksver­teiler.

• Reihenleitungssystem mit Doppelanschluss-Wandscheiben.

In den beiden letztgenannten Stockwerksinstallationen soll ein Kunststoff Mehrschichtverbundrohr zum Einsatz kommen. In allen anderen Fällen wird Kupfer als Rohrwerkstoff angenommen. Es ergeben sich also sechs Installationsvarianten, die alle jeweils nach dem neuen vereinfachten und dem bisherigen differenzierten Verfahren ausgelegt wurden. Die differenzierte Berechnung nach DIN 1988-3 erfolgte mittels EDV-Programm, bei einem überschlägig gewählten Versorgungsdruck von pmin,V = 4200 hPa. Wo es nötig war, wurden die Herstellerangaben für Verlustbeiwerte von Fittingen verwendet und nicht die Standardwerte nach DIN 1988-3 eingesetzt.

Auswirkungen auf Hygienerisiken

Die Dimensionierung einer Trinkwasserinstallation hat auch unter hygienischen Gesichtspunkten zu erfolgen. Durch die Rohrdurchmesser werden zwei diesbezüglich wichtige charakteristische Kenngrößen bestimmt, bei denen möglichst niedrige Werte anzustreben sind: Die innere Oberfläche und der Wasserinhalt des Systems. Eine kleinere Innenoberfläche reduziert die mögliche ­Besiedlungsfläche für Biofilme und wenig Wasserinhalt bedeutet einen raschen Wasseraustausch im Rohrnetz. Kleinere Nennweiten führen zu höheren Geschwindigkeiten, die ebenfalls ein Biofilmwachstum ­erschweren. Durch konstruktive Maßnahmen lässt sich also das Risiko bzw. die Anfälligkeit für eine gesundheitsgefährdende Kontamination der Anlage bereits stark herabsetzen. Für die oben beschriebenen Installationsvarianten wurden die innere Oberfläche und der Wasserinhalt der Rohrleitungen bestimmt und in einem Vergleich gegenübergestellt. Bild 2 zeigt die Ergebnisse in Diagrammform bei zentraler Trinkwassererwärmung. Es ist festzustellen, dass die Werte für eine Stockwerksinstallationsart nach EN 806-3 und DIN 1988-3 zwar stets die gleiche Größenordnung aufweisen. Eine Tendenz ist aber ebenso ablesbar: Die Werte für Oberfläche und Wasservolumen nach EN 806-3 liegen regelmäßig über denen, die sich bei Anwendung der DIN 1988-3 ergeben, mit Abweichungen von über 10%. Hier werden ungenutzte Einsparpotenziale bei zugegebenermaßen recht komfortablen Versorgungsdruckverhältnissen für diese Variante entlarvt. Bei der Gruppentrinkwasserwärmung (Bild 3) wurde bei Berechnungen nach DIN 1988-3 zusätzlich differenziert, ob es sich um Trinkwasserwärmer mit normalem (ΔpTWE = 500 hPa) oder erhöhtem (ΔpTWE = 1000 hPa) Druckverlust handelt, wie er bei hydraulisch gesteuerten Geräten zu erwarten ist. Bei elektronisch gesteuerten Geräten gleichen sich die Werte für Oberfläche und Wasservolumen fast, mit nur leichten Vorteilen für die DIN 1988-3. Dieses ­Ergebnis der EN 806-3 ist beachtenswert und zeugt von einer gewissen – wenn auch eingeschränkten – Leistungsfähigkeit der Methode in Bezug auf hygienische Gesichtspunkte. Schließlich wurde keine Berechnung im eigentlichen Sinne angestellt.

Ungewisse Faktoren

Beim Einsatz hydraulisch gesteuerter Geräte schnellen verständlicherweise durch das geringere verfügbare Druckgefälle die Werte nach DIN 1988-3 nach oben, sodass man in einem solchen Fall eigentlich dem neuen Verfahren den Vorzug geben müsste. Dem sei jedoch mit Verweis auf die Untersuchung der Druckverhältnisse eine Absage erteilt. Grundsätzlich dimensioniert die DIN 1988-3 entsprechend der verfügbaren Druckdifferenz günstigere Fließwege kleiner, ungünstigere größer. Die EN 806-3 dimensioniert alle gleich auf ein mittleres Maß, ohne Einfluss der Druckdifferenz. In Bezug auf Oberfläche und Volumen hebt sich der Unterschied erstaunlicherweise weitgehend auf. Da nur die Belas­tungswerte Einfluss auf den Leitungsdurchmesser haben, lassen sich anders als beim bisherigen Verfahren keine allgemeingültigen Vorhersagen ableiten, die das Verhalten des neuen Berechnungsgangs ­bezüglich der inneren Oberfläche und des Wasserinhalts beschreiben. An dieser Stelle wird deutlich, wie „unberechenbar“ das neue Verfahren ist. Das Ergebnis einer solchen Untersuchung hängt entscheidend davon ab, ­inwieweit die Grundlagen und Annahmen, auf denen der Berechnungsgang fußt, auch auf das zu planende Gebäude zutreffen. Bei den Druckverhältnissen hat die undifferenzierte Sichtweise verheerende Auswirkungen auf die Funktionalität, wie folgendes Untersuchungsergebnis verdeutlicht.

Überprüfte Druckverhältnisse

In einer zweiten Untersuchung wurde rechnerisch überprüft, welche Druckverhältnisse sich im Auslegungsfall in einer nach EN 806-3 vereinfacht ausgelegten Installation tatsächlich einstellen. Gewählt wurde dafür die Variante T-Stück-Installation mit Gruppentrinkwasserwärmung. Entscheidend ist, ob der geforderte Mindestfließdruck pmin,FL = 1000 hPa an der Entnahmestelle auch zur Verfügung steht. In erster Linie ist das vom vorhandenen Versorgungsdruck abhängig, zu dem aber in der EN 806-3 keinerlei Vorgaben gemacht werden. Dem früheren Entwurf der EN 806-3 vom Juli 2003 ist zu entnehmen, dass die Tabellenwerte für einen Druck von pmin,V = 3000 hPa ermittelt wurden. Im Umkehrschluss muss ein solcher Druck dann auch als ausreichend aus Sicht der Norm für eine Normal-Installation angesehen werden. Im Verlauf der Berechnung wurde eine klassische Druckverlustberechnung für den ungünstigsten Fließweg durchgeführt, den Warmwasseranschluss der Küchenspüle in Strang 4, Ebene 4. Anschließend wurde der dabei ermittelte Gesamtdruckverlust (lR+Z) mit den übrigen Druckverlustkomponenten in eine Druckbilanz eingesetzt. Eine Umformung der Gleichung zum Fließdruck lieferte den rechnerisch im Auslegungsfall tatsächlich verfügbaren Fließdruck pverf,FL.

Zu wenige Vorgaben

Die Berechnung ergab, dass im Auslegungsfall eine eklatante Unterversorgung auftritt, wie Bild 4 zeigt. Selbst wenn man der Methode entgegenkommt und die niedrigeren (realistischeren) Berechnungsvolumenströme V·R nach DIN 1988-3 ansetzt, beträgt der rechnerisch verfügbare Fließdruck nur die Hälfte des geforderten Wertes. In der Praxis wird der Volumenstrom entsprechend geringer als verlangt ausfallen. Die Gebrauchstauglichkeit der Entnahmearmatur kann dadurch erheblich eingeschränkt sein, und angeschlossene Haushaltsgeräte könnten Betriebsstörungen erleiden. Die Untersuchung eines vermeintlich günstigeren Fließweges zeigte, dass es sich dabei nicht um ein lokales Problem handelt. Vielmehr sind weite Teile der Installation davon bedroht. Diese Untersuchung bedeutet nicht, dass Installationen nach dem neuen Verfahren grundsätzlich nicht funktionieren. Das Beispiel beweist aber, wie schnell eine Funktionsschwäche im praxisnahen Auslegungsfall auftreten kann, trotzdem alle Randbedingungen genau ­eingehalten wurden. Das darf nicht sein, denn gerade für diesen Fall soll die Norm die passenden Nennweiten liefern. Es werden also augenscheinlich zu wenig Vorgaben gemacht und die Funk­tionsfähigkeit ist nicht durch systemimmanente Mechanismen automatisch sichergestellt. Die Installationen laufen deshalb Gefahr, den Anforderungen aus EN 806 Teil1 und Teil2, also der eigenen Normenreihe, nicht zu entsprechen. Verschlimmernd wirkt der Umstand, dass die drohende Unterversorgung im Rahmen der Berechnung nicht auffällt, weil darüber ­keinerlei Informationen ablesbar sind. Erst ­eine externe Kontrollrechnung in Form einer Druckbilanz, ähnlich wie in diesem Beispiel durchgeführt, liefert den Hinweis, dass eine differenzierte Berechnung bzw. eine Druckerhöhungsanlage notwendig ist. Die gänzliche Nichtbeachtung des Versorgungsdrucks und der Apparatedruckverluste ist unerklärlich.

Keine wesentliche Vereinfachung

Die Verwendung des neuen Berechnungsgangs ist prinzipiell nur eingeschränkt möglich. Verbunden mit der Tatsache, dass für die Anwendung erst die Anwendungsmöglichkeit und anschließend die Funktionsfähigkeit umständlich geprüft werden müssen, reduziert sich die Anzahl sinnvoller Anwendungsfälle auf ein Minimum. Das gilt vor ­allem vor dem Hintergrund der Verwendung leistungsfähiger CAE-Programme, die den zeitlichen Aufwand in Richtung Planen und Zeichnen verschieben. Die eigentliche Berechnung geschieht dann wie auf Knopfdruck. Bei Kleinanlagen entfällt meist eine detaillierte Ausführungsplanung. In der Praxis wird vor allem im Einfamilienhausbereich die Nennweite vom Installateur vor Ort nach Augenmaß festgelegt.

Es ist illusorisch zu glauben, dieser Praxis durch die EN 806-3 Einhalt gebieten zu können. Das neue Verfahren bietet demgegenüber auch keinen ­signifikanten Vorteil, da sein Ergebnis mindestens genauso unsicher ist. Auf der anderen Seite gibt es hierfür eine große Zahl ­einfacher, benutzerfreundlicher Software, die eine ebenso schnelle Berechnung bei einem enormen Plus an Sicherheit bietet. Obendrein ist diese Lösung preisgünstig zu haben und sollte dementsprechend propagiert werden, anstatt eine Scheinsicherheit zu inszenieren. Die EN 806-3 bzw. die neue Methode bedeutet keine Vereinfachung in der heutigen Zeit und ihre Anwendung ist nicht zu empfehlen, wenn auch keine erhöhte Gefährdung aus hygienischer Sicht durch solche Normal-Installationen zu erkennen ist. Das schlagende Argument ist hier die Diskrepanz zwischen Anspruch und mangelnder Funktionalität.

Die EN 806-3 kann nur ein vom Kompromiss geprägter erster Schritt auf dem Weg zu einer europäischen Auslegungsstrategie für Trinkwasserinstallationen sein. Bis dahin ist in Deutschland die bewährte Trinkwasser- und Hygienephilosophie durch die differenzierte Berechnung vor allem in Risikoinstallationen weiterhin gewährleistet. Nun gilt es, diese in einem zweiten Anlauf auch auf europäischer Ebene durchzusetzen und für die Zukunft zu ­sichern. Die Chance wäre sonst vertan, eine zukunftsfähige Installationsstrategie europaweiten Standards zu entwerfen, welche bereits bei der Dimensionierung auf heute gültige Funktionalitäts- (Druckbilanz) und Hygieneanforderungen (Legionellen- und Pseudomonaden-Problematik) eingestellt ist. Ein internationaler differenzierter Berechnungsgang unterhalb der deutschen Standards würde den Verfall des hohen Niveaus bedeuten. Dieser drohenden Gefahr gilt es gezielt entgegenzuwirken.

Unser Autor Dipl.-Ing. (FH) Ludger Kuper, Jahrgang 1981, studierte Versorgungs- und Entsorgungstechnik an der Fachhochschule Münster/Steinfurt mit Schwerpunkt Technische Gebäudeausrüstung. Seit Anfang 2007 ist er in einem Ingenieurbüro für Haustechnik in Münster tätig. E-Mail: kuper@fh-muenster.de